發布日期：2022-04-20 點擊率：806
輸入共模電壓范圍（通常縮寫為 V CM或 VICR）是一個在模擬世界中被廣泛認可但在比較器世界中被誤解的術語。對于放大器，V CM定義 為施加到兩個輸入端的平均電壓。但是對于一個比較器來說，它的含義就完全不同了。
比較器的正常操作意味著兩個輸入交叉，導致輸出發生變化。讓我們分析圖 1 所示的同相比較器配置，其瞬態行為如圖 2 所示。
圖 1：同相比較器配置
圖 2：同相比較器瞬態行為
在圖 2 中，如果同相端的電壓（橄欖綠）大于反相端的電壓（紅色），則輸出（綠色）為高電平。如果反相端電壓大于同相端電壓，則輸出為低電平。比較器的輸入 V CM是兩個輸入電壓相互交叉的開關點。仍確保正常工作的開關點的電壓范圍稱為比較器的輸入 V CM。
表 1 顯示了 LM393 的 V CM，其范圍從負電源 V– 到低于正電源 V+ 1.5 V 或 2 V，具體取決于器件的溫度。
范圍 | 測試條件 | 最小類型 最大 | 單元 | |
厘米_ | 共模范圍 | V S = 3 至 36 V | (V-) (V+) - 1.5 | 五 |
V S = 3 至 36 V，TA = -40°C 至 +85°C | (V-) (V+) - 2 | 五 | ||
表 1：來自 LM393 數據表表 6.7 電氣特性的行
如果我在室溫下使用 3.3 V 電源為該設備供電，則設備的輸入 V CM介于接地和 1.8 V 之間。如果開關點高于 1.8 V，則設備可能無法運行。如果一個或兩個輸入違反V CM，可能會發生不正確的操作。
什么限制了輸入 V CM？
比較器的輸入級限制輸入V CM。讓我們首先看一下 TL331 數據表中的功能框圖（圖 4）。輸入級包括一個用于 P 通道、N 通道、P 通道 (PNP) 的差分對，其發射極連接到電流源。為了使差分對上的 PNP 晶體管導通，從發射極到基極 (V EB )需要有一個電壓降 （對于 N 溝道、P 溝道、N 溝道配置，這將是基極到發射極 [ V BE ]）。
圖 3：TL331 功能框圖
電流源通常是一個電流鏡，如圖 5 所示。要使電流源工作，Q2 的發射極到集電極電壓需要超過最小正向有效電壓要求 (V EC (Sat) )。
圖 4：PNP 電流鏡
隨著比較器輸入電壓的增加，滿足差分對晶體管的 V EB導通和電流鏡晶體管的 V EC (Sat)的可用裕量越來越小。當這種情況發生時，V EC開始收縮，而 V EB仍然保持堅挺。當 V EC (Sat)不超過 Q2 時，電流鏡的電流產生能力顯著降低，這就是為什么一些比較器使 V CM上升到低于電源電壓的值的原因。其他具有 NPN 晶體管輸入級的器件指定的 V CM范圍從一個值到正電源。
為什么即使超過數據表上的輸入V CM設計也能工作
數據表上的V CM值考慮了跨工藝、電壓和溫度 (PVT) 的性能。回顧圖 4 中的 TL331 示例，V BE和 V CE隨溫度波動。
圖 6、7 和 8 顯示了 LM393 在與圖 1 類似的同相配置中的性能。在這種情況下，電源電壓設置為 5V。100Hz、1Vpp、3.9V 的直流斜坡波形 (黃色）連接到同相端子，同時向反相端子施加 3.9V DC參考信號（紫色）。這是一個應用示例，其中 3.9 V 的開關點違反了 V CM；使用此電源，符合標準的 V CM為 3 V 或更低。
在室溫下，比較器在超過 3.9 V 時工作并切換，如圖 6 所示。比較器在加熱時也工作，如圖 7 所示。當我冷卻設備時，它開始出現故障，因為輸出（綠色）在圖 8 中表示。
圖 5：LM393 在 V CM之外的室溫性能
圖 6：LM393 在 V CM之外的高溫性能
圖 7：LM393 在 V CM之外的低溫性能
當我降低輸入電壓以確保開關點在器件的VCM范圍內時，同一器件在所有溫度范圍內都能正常工作。斜坡波形現在處于 2 V 的較低 DC 偏移，參考為 2 V，確保開關點保持在 V CM范圍內。圖 9、10 和 11 顯示了 LM393 如何在整個溫度范圍內正常工作。
圖 8：LM393 在 V CM內的室溫性能
圖 9：LM393 在 V CM內的高溫性能
圖 10：LM393 在 V CM內的低溫性能
我從一個單元中獲取了所有這些范圍捕獲。如果我要測試另一個 LM393 樣品，超出指定 V CM范圍的性能可能會有所不同。在室溫下，V CM上限可能與測試單位不同。這稱為過程變化，其中性能可能會因批次變化或不均勻的制造程序而變化。
這種變化的最后一部分是電壓變化。不同的電源電壓下，零件的行為可能會有所不同。在圖 6、7 和 8 的設置中，如果電源電壓增加到最大允許的 36 V，且 V CM違規相同，則性能可能會有所不同。在使用比較器設計系統時，必須將輸入保持在 V CM范圍內以避免這些問題。
結論
當任一輸入超出范圍時，輸入 V CM會導致設備無法正常工作。超出此范圍會導致比較器輸入級的偏置出現問題。請記住，數據表規范之外的一個或兩個輸入違反了 V CM。即使系統在違反 V CM時工作，它也可能在不同的電源電壓、不同的工作溫度或更換集成電路時無法工作。
在創建使用比較器的系統時，將每個輸入信號保持在輸入 V CM的數據表規范內，以保持 PVT 的功能。
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